聚乙二醇對合成無(wú)定形磷酸鈣的影響

邪19蒼粥1期兀饑竹科子報Vol.19, No.12004年1月Journal of Inorganic MaterialsJan., 2004文章編號: 1000-324X(2004)01-0234-05聚乙二醇對合成無(wú)定形磷酸鈣的影響李延報，翁文劍，程逵，杜丕一，沈鴿，韓高榮(浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系，杭州310027)摘要: 采用聚乙二醇(PEG)先與鈣反應后，再與磷源溶液反應，在低溫環(huán)境中制得無(wú)定形磷酸鈣.借助XRD分析討論了PEG:CaCl2配比及PEG分子量與形成無(wú)定形磷酸鈣之間的關(guān)系，實(shí)驗結果表明，PEG:CaCl2 配比為1:1和PEG分子量為1000是形成穩定無(wú)定形磷酸鈣的最佳條件.其PEG穩定無(wú)定形磷酸鈣的作用可理解為:在合成過(guò)程中PEG易存在于無(wú)定形磷酸鈣Cag(PO4)s團簇之間和吸附在無(wú)定形磷酸鈣顆粒周?chē)?，有效地阻止了無(wú)定形磷酸鈣向晶態(tài)的轉變.關(guān)鍵詞:無(wú)定形磷酸鈣;聚乙二醇;生物材料.中圖分類(lèi)號: TB383文獻標識碼: A1引言磷酸鈣是人體硬組織中的主要無(wú)機成分，具有良好的生物相容性，在硬組織修復材料領(lǐng)域中有很大的應用價(jià)值.由于與硬組織的無(wú)機物組成接近，羥基磷灰石和β-磷酸三鈣目前得到廣泛的研究和應用.前者具有生物活性和骨傳導性，但生物降解很難;后者雖然具有一定的降解速率，但是與生物可降解的聚合物復合后仍然不能完全中和聚合物降解時(shí)釋放的酸性叫.而無(wú)定形磷酸鈣由于其具有高生物降解速率和優(yōu)良的骨傳導性，被用作可生物降解聚合物基復合材料的填充劑，抑制/中和由聚合物降解時(shí)釋放出來(lái)的酸性[2.這可以調節復合材料的降解速率，以便消除炎癥和滿(mǎn)足骨組織工程對生物材料降解速率的要求.由于無(wú)定形磷酸鈣在水溶液中具有很高的反應活性和溶解速率，很容易就轉變?yōu)榱谆沂?，合成穩定的無(wú)定形磷酸鈣比較困難.-般采用稀溶液和快速法，在形成的沉淀物沒(méi)有轉變?yōu)榫B(tài)前過(guò)濾、冷凍千燥而得到無(wú)定形磷酸鈣[.,1.最近，有人用膜滲透-控制法獲得無(wú)定形磷酸鈣，這種方法比較復雜，并且合成的無(wú)定形磷酸鈣也容易晶化(同.另外，研究如何獲得水溶液中穩定的無(wú)定形磷酸鈣的報道比較多，利用Mg2+、P204- 以及氧氯化鋯等無(wú)機物可以穩定無(wú)定形磷酸鈣(3,4,6];某些生物大分子也可以穩定無(wú)定形磷酸鈣4.另外，人工合成聚合物(如聚丙烯酸)能影響磷灰石的結晶度,但是并不能獲得穩定無(wú)定形磷酸鈣[7].在羥基磷灰石合成中，低分子量的PEG常被用作分散劑[8,9]. Saujanya 等人研究磷酸鈣填充聚合物時(shí)發(fā)現PEG可以降低磷酸鈣的結晶能力,但仍沒(méi)有得到無(wú)定形磷酸鈣(10].低溫可以減弱無(wú)定形磷酸鈣向磷灰石轉變時(shí)所需的離子遷移、擴散，降低無(wú)定形磷酸鈣反應收稿日期: 2002-11- 20,收到修改稿日期: 2002-12-20基金項目:浙江省科技項目(012102)作者簡(jiǎn)介:李延報(1975- ),男，博士研究生.通訊聯(lián)系人: 翁文劍. E-mail: wengwjQzju.edu.cn中國煤化工MYHCNMHG1期李延報，等:聚乙二醇對合成無(wú)定形磷酸鈣的彤響235活性和溶解速率同.本文采用PEG先與鈣反應后，再與磷源溶液反應，在低溫環(huán)境中合成了穩定的無(wú)定形磷酸鈣.并利用FTIR、XRD等手段對反應物進(jìn)行了表征.2實(shí)驗2.1原料和實(shí)驗過(guò)程原料為分析純的無(wú)水CaCl2、Na3PO4 :12H20和進(jìn)口分裝的聚乙二醇(PEG,分子量為1000, 60000和100).將- -定 比例的PEG和CaCl2溶于200mL的水中,把NagPO4:12H2O溶于100mL的蒸餾水中，攪拌溶解后放入5°C下冷藏.待溫度穩定在5°C后將兩溶液混合，在.磁力攪拌下反應30min.過(guò)濾、洗滌，去除CI-離子，直至用硝酸銀滴定濾液無(wú)沉淀為止.冷凍干燥48h, 取出放入干燥器備用。本實(shí)驗樣品具體制備條件見(jiàn)表1.表1樣品制備條件Table 1 Preparation conditions of the sanples studied in this work*Samnple No. ACP1 ACP2 ACP3 ACP4 ACP5 ACP6 ACP7 ACP8 ACP9 ACP10PEG:CaCl20:1:1l:11:1:21:41:10(wt. ratio)Wu of1010PEG/kDaTemp./°C255* Reaction time is 30min for all samples2.2測試方法用傅立葉紅外光譜儀(FT-IR, Nicolet - Avatar 360型)測定樣品中各官能基團，采用KBr壓片法，用粉末X射線(xiàn)衍射(XRD, Rigaku D/max-RA CuKa掃描速度49/min)測定樣品的結晶狀況.3實(shí)驗結果3.1無(wú)定形磷酸鈣的形成圖1是樣品ACP1、ACP2和ACP3的swhXRD圖譜. ACP1 樣品中沒(méi)有加入PEG,XRD(圖1a)圖譜顯示為羥基磷灰石相的衍射峰. ACP3 是加入PeG在5°C下形成的沉淀，XRD(圖1b)圖譜顯示為無(wú)定形相,.1020 30201(°)10 S06而含有PEG的樣品在25°C下形成的樣品ACP2則顯示出羥基磷灰石的衍射峰.這表圖1反應物的XRD圖譜明加入PEG后在低溫可以形成無(wú)定形磷酸Fig. 1 XRD patterns of the precipitates ob-鈣，但是在室溫下則仍不能形成無(wú)定形磷tained酸鈣.(a) ACP1; (b) ACP2; (c) ACP33.2 peG 對無(wú)定形磷酸鈣合成的影響圖2是在相同分子量、不同配比的PEG:CaCl2下制得磷酸鈣的XRD圖譜.加入PEG中國煤化工MYHCNMHG236無(wú)機材料學(xué)報19卷后，沉淀物的衍射峰強度迅速下降，當加入PEG的量為PEG:CaCl2=2:1(圖2a)時(shí)，沉淀物懸無(wú)定形的磷酸鈣;隨著(zhù)PEG加入量的減少沉淀物開(kāi)始發(fā)生晶化，PEG:CaCl2=I:2(圖 2c)時(shí)已出現磷灰石(002) 晶面行射峰，并且隨著(zhù)PEG加入的減少，衍射強度增加.這說(shuō)明當PEG:CaCl2為1:1或大于1:1時(shí)，可以容易地形成無(wú)定形磷酸鈣.圖3是加入相同配比、不同分子量的PEG下制得磷酸鈣的XRD圖譜. PEG 分子量為10000和6000時(shí)，磷酸鈣為無(wú)定形磷酸鈣相;當PEG分子量下降到1000時(shí)磷酸鈣開(kāi)始結晶，出現磷灰石(002) 和(211)晶面衍射峰.在PEG:CaCl2為1:1時(shí)，分子量為10000 和6000時(shí)，可以獲得無(wú)定形磷酸鈣.wwwwnd23040一506020/(°)1020一304050620(°)圖2不同配比的PEG:CaCl2對沉淀物相的圖3不同分子量的PEG對沉淀物相的影響Fig. 2 Effect of the weight ratio of PEG:CaCl2Fig. 3 Efect of the diferent molecule weighton the phases of the precipitatesof PEG on the phases of the precipitates(a) ACP4; (b) ACP5; (c) ACP6; (d) ACP7; (e)(a) ACP10; (b) ACP9; (c) ACP5ACP8; (f) ACP94討論在沒(méi)有PEG的水溶液中，無(wú)定形磷酸鈣的形成比較簡(jiǎn)單，如式(1)所示但是形成的無(wú)定形磷酸鈣沉淀在沒(méi)有加入穩定劑的情況下很容易經(jīng)過(guò)溶解-再結晶過(guò)程發(fā)生(2)自催化地晶化轉變4，出現了圖1a的XRD圖譜.Ca2+(aq) + POg (ag) + Ca - phosphate(amorphous, solid)Ca - phosphate(amorphous, solid)→Ca - phosphate(crystaline, solid)(2)無(wú)定形磷酸鈣是短程有序的，基本結構單元是Cag(PO4)6 團簇.這些團簇相互無(wú)規則地堆積在一起， 形成尺寸為300~800A的球狀顆粒.無(wú)定形磷酸鈣含有10%~20%的結合水，這些結合水存在于Cag(PO4)o 團簇之間(1.1在原子結構上Ca(PO4)e團簇和磷灰石是相似的，只是某些原子發(fā)生了扭曲[112]. 無(wú)定形磷酸鈣向磷灰石轉變時(shí)，這些團簇中的原子發(fā)生一些松弛、自我排列，溶液中的Ca2+、PO2- 等離子聚集排列在團簇表面逐漸長(cháng)大成晶核，即轉化成晶態(tài)[2.無(wú)定形磷酸鈣向磷灰石轉變時(shí)，必須有兩個(gè)過(guò)程，- 是形成晶核時(shí)Cag(PO4)e團簇中原子的自我排列、聚集，這與離子遷移、交換密切相關(guān);二是磷灰石晶核長(cháng)大時(shí)無(wú)定形磷酸鈣的溶解(4,12].在沒(méi)有穩定劑的水溶液中，這兩個(gè)過(guò)程很容易發(fā)生,無(wú)定中國煤化工MYHCNMHG1期李延報，等:聚乙二醇對合成無(wú)定形磷酸鈣的影響237形磷酸鈣很難獲得.加入PEG后，可形成無(wú)定形磷酸鈣(圖1c).溶液中有PEG存在時(shí)，無(wú)定形磷酸鈣的形成與上述過(guò)程不同，PEG可以和很多的陽(yáng)離子發(fā)生絡(luò )合反應[13.14.圖4是PEG中加入鈣離子前和加入鈣離子后的紅外光譜圖、PEG是一種結構較為簡(jiǎn)單的聚合物，紅外特征吸收4000 3000 20001000. 1 20080峰主要是C-0-C鍵的吸收峰，由圖可知，當wave mmhePEG中加入鈣離子后,在1050~1150cm-1區間圖4純PEG和含有Ca2+離子PEG的紅C-0-C鍵的吸收峰明顯向低波數移動(dòng)，而且外光譜圖吸收峰發(fā)生分裂、這表明C-0 _C鍵在該區間Fig. 4 FTIR spectra of PEGwithout Ca2+ (a)的不對稱(chēng)伸縮振動(dòng)由于受Ca2+離子的影響，and with Ca2+ (b)其振動(dòng)頻率降低.這也說(shuō)明了鈣離子與聚乙二" The stretching vibration of the C-O C group醇分子中的氧原子形成絡(luò )合結構(3,14.所以，加入PEG后，PEG 與Ca2+離子發(fā)生絡(luò )合，形成PEG-Ca2+絡(luò )合物.反應過(guò)程中，一部分Ca2+離子和PO3一離子發(fā)生式(1)的反應;另一部分PEG-Ca2+離子和PO;-離子發(fā)生式(3)的反應.在PEG分子鏈附近形成無(wú)定形磷酸鈣的團簇，這些團簇再無(wú)規則地聚集就形成無(wú)定形磷酸鈣沉淀.PEG-Ca2+ +PO2 (ag)→PEG - Ca - phosphate(amorphous, solid)(3)在本實(shí)驗中，PEG 在形成無(wú)定形磷酸鈣過(guò)程中有兩種可能存在形式:一種是少量的PEG以PEGCa2+絡(luò )合物的形式替代無(wú)定形磷酸鈣Cao(POx)o團簇之間的結合水位置，另一種是大量的PEG吸附在剛形成無(wú)定形磷酸鈣顆粒表面.加入PEG后，PEG正是從上述兩個(gè)過(guò)程阻止無(wú)定形磷酸鈣向晶態(tài)轉變.替代無(wú)定形磷酸鈣團簇之間結合水的PEG,可以有效地阻礙Caq(P04)6團簇中原子的自我排列和離子的遷移、交換，也就是阻止了磷灰石晶核的形成.吸附在無(wú)定形磷酸鈣顆粒周?chē)腜EG一定程度上影響無(wú)定形磷酸鈣的溶解，也不利于無(wú)定形磷酸鈣向晶態(tài)的轉變，這說(shuō)明PEG要有-定濃度和尺寸，才能起到穩定劑的作用.上述的轉變過(guò)程可以很好地解釋圖2和3的實(shí)驗結果.當PEG的加入量增大時(shí)(即.PEG:CaCl2配比變大),鈣離子能與PEG形成較充分的絡(luò )合,鈣離子由于受到PEG大分子鏈的牽制、阻礙，很難能夠自由地自我排列形成磷灰石晶核;同時(shí)由于溶液中粘度的增大,形.成晶核所需離子的遷移、交換也受到影響.當PEG的分子量增大時(shí)，溶液的粘度增大，減弱了形成晶核所需離子遷移、交換速率.本實(shí)驗中PEG:CaCl2配比為1:1、PEG 分子量為10000時(shí)，可以很好地阻礙無(wú)定形磷酸鈣向晶態(tài)轉變，這說(shuō)明PEG要有一定濃度和尺寸才能起到穩定劑的作用溫度對形成無(wú)定形磷酸鈣的影響很大.剛形成的Cag(PO4)e團簇很容易向晶態(tài)轉變，但是一旦Cag(PO4)e團簇聚集形成沉淀顆粒并且有PEG存在于團簇之間時(shí)，這種轉變趨勢受到PEG的影響而變小。從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，在25°C下溶液的離子反應活性比較高，剛形成的Cao(PO4)6團簇還沒(méi)有開(kāi)始聚集便轉變?yōu)榫B(tài)(圖1b).在5°C時(shí)，則剛形成的Caq(PO4)e團簇無(wú)規則聚集形成無(wú)定形磷酸鈣(圖1c).中國煤化工MYHCNMHG238無(wú)機材料學(xué)報19卷5結論在溶液中PEG可以和Ca2+離子形成PEG-Ca2+絡(luò )合物;加入PEG后，可以得到穩定的無(wú)定形磷酸鈣，不同的PEG:CaCl2配比及不同分子量的PEG對無(wú)定形磷酸鈣的穩定性均有較大影響、PEG 的添加量為PEG:CaC2=1:1和分子量為10000時(shí)是形成穩定無(wú)定形磷酸鈣的最佳條件.參考文獻[1] Yohji I, Aya F, Mariko w. 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The role of PEG in stabilizingACP in the aqueous solution is that PEG is easy to exist in the interstices between the ACPCag(PO4)6 clusters and adsorbed around ACP particles, and inhibits ACP transformations tocrystalline hydroxyapatite.Key words amorphous calcium phosphate; poly(ethylene glycol); biomaterials中國煤化工MYHCNMHG